微區原位元素及同位素分析標準物質研究進展

王 松，高鈺涯，王 軍，任同祥

(中國計量科學研究院，北京 100029)

現代科學技術的發展對分析儀器和分析方法提出了更高的要求，科學突破往往建立在分析儀器和分析方法的進步上[1]。微區原位元素及同位素分析主要是指利用各種微束(一般直徑為微米量級)技術對極小樣品區域內的元素含量及同位素組成進行定性和定量分析，代表性的技術有電子探針分析(EPMA)、X射線熒光光譜(XRF)、二次離子探針質譜(SIMS)、激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜(LA-ICP-MS)、激光誘導擊穿光譜(LIBS)、激光誘導原子探針(LI-APT)、顯微紅外光譜(FT-IR)等。微區原位分析技術省去了繁瑣的樣品消解、分離和富集等前處理流程，具有簡單、快速、實時在線、空間分辨率高等特點，尤其對于成分不均一的復雜樣品分析具有重要的意義[2]。

自20世紀40年代出現XRF和EPMA以來，微區原位分析技術得到了長足的發展，主要體現在以下幾方面：1) 空間分辨率不斷提高，目前納米離子探針質譜(NanoSIMS)的空間分辨率可小于50 nm，原子探針(APT)的空間分辨率能達到小于1 nm[1]；2) 分析靈敏度不斷提高，目前大型離子探針(LG-SIMS)的檢出限已達到低于10-10g/g水平[3]；3) 元素含量及同位素組成分析的精度不斷提高，目前LA-ICP-MS元素含量的測量精度能達到1%，同位素組成測量精度能達到0.01%[4]；4) 技術的應用研究不斷拓展，多種微區原位分析技術已在單個流體包裹體[5]、地質樣品環帶分析[6]、生物組織成像[7]等方面展現出不可替代的優勢，推動科學研究向著更加微觀、準確量化的方向發展，并取得了一系列令人矚目的成果。

微區原位分析技術省略了繁瑣的樣品前處理過程，雖然簡化了測量流程，降低了樣品損失和污染風險，但復雜的樣品基體會對測量結果產生顯著的基體效應。不同分析儀器和技術的檢測原理不同，其基體效應的影響也有所不同。例如，對于LA-ICP-MS分析技術，基體效應的影響主要表現為激光剝蝕時的熱效應、氣溶膠傳輸時顆粒大小的影響、樣品電離時的多原子離子干擾、離子檢測時復雜電荷環境的影響等[8]；而對于SIMS分析技術，基體效應主要表現為雙原子離子和氧化物離子的干擾、元素敏感因子的變化、一次離子入射的光軸效應等[9]。

測量中使用與待測樣品基體匹配的標準物質是克服基體效應最有效的方法，是獲得可靠測量結果的必要保障。但由于目前相關的計量標準嚴重匱乏，測量結果的溯源問題尚未得到很好的解決，獲得可比和可靠的測量值還存在一定問題，這已成為阻礙微區原位分析技術應用和發展的瓶頸，也是相關應用領域和計量研究機構關注的熱點。近年來，大量的研究工作聚焦于研發具有微觀尺度均勻性的標準樣品，并取得了階段性的研究成果[10-11]。本文將系統介紹微區原位元素及同位素分析用標準物質，主要包括微區標準物質的技術要求、制備技術、均勻性檢驗和定值方法、標準樣品和標準物質現狀等。

1 微區原位標準物質的技術要求

標準物質是具有一種或多種足夠均勻和很好的確定特性物質，用以校準測量裝置、評價測量方法或給材料賦值的一種材料或物質。標準物質是實現準確一致的測量、保證量值有效傳遞與溯源的計量標準，在分析測量中占據核心地位。我國納入依法管理的標準物質也稱為有證標準物質(certified reference materials, CRMs)，其一種或多種特性值用建立了溯源性的程序確定，使之可以溯源到準確復現的表示該特性值的測量單位，每一種出證的特性值都附有給定包含概率(或包含因子)的不確定度。標準物質在實現測量量值溯源及質量控制、發展分析測試技術等方面具有重要意義。為了滿足標準物質的質量要求，在研制中必須考慮影響標準物質質量的諸多因素，例如，對候選物的選擇與分析、樣品制備、均勻性檢驗、穩定性檢驗、定值過程各環節的控制、量值溯源與測量方法確認和實現等。

針對微區分析對象在極小區域的特點，樣品的高度均勻性是微區標準物質最基本、最重要的技術要求。由于不同微區分析技術的空間分辨率差異較大，微區標準物質均勻性的要求各不相同。例如，LA-ICP-MS分析的束斑一般大于20 μm，EPMA的束斑直徑低至1 μm，NanoSIMS的空間分辨率低至50 nm，APT的空間分辨率可達到1 nm。因此，在研制微區分析標準物質時，首先要根據使用的測量方法和技術需求，明確相應標準物質候選物的均勻性目標。目前，國際上還沒有形成如何進行微區分析標準物質的均勻性判定統一的標準，包括均勻性檢驗的抽樣數量、每個抽樣單元內選定的測試區域數量與位置分布、每個測試區域的分析次數、均勻性判據的確定等。在眾多微區分析方法中，電子探針的標準樣品研究較多，并已形成了國家標準GB/T 4930—2008 《微束分析電子探針分析標準樣品技術條件導則》，對于微區標準物質均勻性判定方法具有重要的參考價值。吳石頭等[12]在國家計量技術規范JJF1343—2012《標準物質定值的通用原則及統計學原理》和總結前人工作的基礎上，提出了LA-ICP-MS微區標樣的兩步均勻性檢驗方法，即整體分析均勻性檢驗和微區分析均勻性檢驗，為微區原位標準物質的均勻性判定提供了有益的探索。

樣品穩定性是指標準物質在儲存、運輸過程中保持成分和均勻性穩定無變化的能力。微區原位分析標準物質以固體物質形式為主，固體物質穩定性要求主要表現為不風化、不分解、不氧化。從使用角度考慮，其穩定性還需要評估樣品在微束(激光、離子、電子等)撞擊時的耐受性。例如，使用LA-ICP-MS技術時，在激光剝蝕過程中，樣品會受到直徑幾十微米的高強度激光的連續沖擊，這就要求標準物質樣品具有一定的機械強度，不會在激光剝蝕過程中發生開裂、變形。

標準物質特性量值的準確可靠、可溯源性對研制微區原位標準物質至關重要。目前，微區標準物質的定值方法主要分為兩類。一類是固體樣品經消解、分離后，通過溶液分析方法測定樣品的整體含量。其中，元素含量測量可使用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)、電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)、原子吸收光譜(AAS)、中子活化(NAA)等分析儀器；同位素組成分析可選擇多接收電感耦合等離子體質譜(MC-ICPMS)和多接收表面熱電離質譜(MC-TIMS)。該類方法的優點是基體簡單、測量精度高、重復性好，測量結果通常可溯源到溶液濃度標準物質，或同位素組成標準物質。但這類方法給出的是樣品平均值，并不能反映微區樣品內部的元素和同位素分布，可用于經均勻性檢測后的標準物質候選物定值。另一類是利用各種微區分析方法對樣品進行直接分析，目前LA-ICP-MS、SIMS、XRF和EPMA是使用最廣泛的方法，其中LA-ICP-MS和SIMS既能分析元素含量，也能分析同位素組成，而XRF和EPMA只能分析元素含量。該類方法能提供元素和同位素的空間分布數據信息，但因測量中的干擾因素較多，不能很好的保證部分元素的檢出限與測量重復性，此外，測量結果的溯源性研究亟待加強。

2 微區原位標準樣品的制備方法

由于微區原位標準樣品需滿足微區均勻性、機械強度、基體匹配等方面的要求，其制備技術依然面臨極大的挑戰。目前，獲得微區標準樣品候選物的途徑有篩選組成均勻的天然礦物樣品、熔融法制備玻璃片、粉末壓片和人工晶體合成等，每種方法各有優勢與局限。

2.1 篩選組成均勻的天然礦物樣品

該方法是通過篩選自然界中組成均勻、目標元素含量適中的天然礦物，通過均勻性檢驗和定值后，通常使用環氧樹脂包被制成標準尺寸的樣品靶。這類標準樣品以鋯石、橄欖石、金紅石、獨居石、黑曜石以及富含某些微量元素的石英等天然礦物為代表，主要在地質研究領域使用，目前文獻報道的部分被加工成標準樣品的礦石照片示于圖1。理想的天然標準樣品應滿足如下條件：1) 元素或同位素組成分布均勻；2) 具有合適的元素含量；3) 樣品基體具有代表性；4) 具有足夠的樣品量以供長期分發使用[13]。目前，僅發現少數特殊地質條件下形成的礦物內元素含量組成均勻，可用作元素含量標準樣品。如，富含某些微量元素的天然石英玻璃[14]、火山口熔融形成的天然黑曜石玻璃[15]和部分天然寶石晶體[16]。除此之外，一些天然礦物樣品的元素含量不均勻，但其部分元素的同位素組成較為均勻，則可用作同位素組成標準樣品，比較典型的代表是在地質年代學中廣泛使用的鋯石標樣，已報道的包括91500[17]、Plesovice[18]、Mud Tank[19]、GJ-1[20]、M257[21]、TEMORA[22]、清湖[23]、蓬萊[24]等。

注：a.Plesovice鋯石；b.Sugluk-4金紅石；c.MK-1磷灰石；d.MongOLSh11-2橄欖石；e.MKED1榍石；f.TS-Mnz獨居石；g.Happy Jack鈾礦；h.HTS4-6黃銅礦；i.JC13-091黃鐵礦圖1 文獻報道的部分被加工成標準樣品的礦石照片[18,25-32]Fig.1 Photographs of ores reported in the literatures that have been used as reference materials[18,25-32]

篩選組成均勻的天然樣品用于標準物質候選物，能夠最大程度地保證樣品與標樣的基體匹配，克服樣品基體效應的影響。但由于自然界中組成均勻的礦物較少，篩選過程復雜且成功率較低，樣品量有限等，僅依靠天然樣品難以滿足日益增長的標準物質需求。針對這一現狀，研究者一方面尋找更多均勻的、儲量大的標樣候選物，如替代鋯石標樣91500的新的、儲量更大的鋯石標樣[18-19,23-24]；另一方面，充分挖掘現有標準樣品的潛能，考察更多種特性量均勻性指標，以期達到一物多用的目的。如鋯石標樣，既能做U-Pb地質年齡測定標樣，也能做Hf-O、Zr、Si、Li等同位素分析標樣[23,33]；又如元素含量的標準可能拓展到同位素分析[34]。

2.2 樣品熔融玻璃法

樣品熔融玻璃法是目前在微區標物制備中應用最廣泛的方法，其原理示于圖2。在高溫下將樣品變成液體，然后倒模冷卻固化加工成型。該方法的優勢是高溫熔融過程使得添加元素更容易分布均勻，同時一次制備的量大，能夠滿足標物大量制備的要求。但是，高溫處理過程中易損失易揮發元素，且高溫會顯著提高元素的反應活性，因此該方法不適用于含易揮發元素和還原性元素的標物制備。此外，該方法制備過程中劇烈變化的溫度可能導致同位素分餾發生，制備的樣品同位素組成和預期值之間可能形成較大的偏差。再者，對于一些難熔礦物，尤其是花崗巖，采用該方法制備時難以完全溶解，可能導致Zr、Hf等元素的分布不均勻[10]。

圖2 樣品熔融法制備玻璃微區分析標準物質流程示意圖Fig.2 Schematic of the preparation process for glass microanalysis reference materials by sample melting method

對該方法的優化主要包括3個方向：1) 提高制得樣品的均勻性。吳石頭等[35]通過二次粉碎熔融的制備過程，顯著提高了制得玻璃片中Zr、Hf等難熔元素的均勻性，相對標準偏差(RSD)優于10%。2) 降低樣品制備的溫度，減少揮發性、還原性元素的損失。Monsels等[36]通過將1 g鋁土礦粉末樣品和4 g溶劑(66.5% Li2B4O7和33.5%LiBO2)混勻后熔融的方法，在1 100 ℃條件下制得了含30種元素的鋁土礦玻璃標準物質。3) 改善熔融方法。胡兆初等[37]利用高能激光作為能源熔融少量硅酸鹽礦物，在幾十毫秒內實現了樣品的熔融和冷卻，避免了化學助劑和熔融容器的使用。

2.3 樣品粉末壓片法

樣品粉末壓片法是制備XRF和LA-ICP-MS微區分析標物常用的方法，具體過程示于圖3。先將樣品研磨成微米級或納米級粉末，然后通過高壓壓片機將固體粉末壓制成型。該方法操作簡便，便于添加微量元素或稀釋劑，制得的標物能最大程度地保留基體樣品的組成，克服了高溫熔融導致的樣品損失與同位素分餾。該方法的不足體現在：1) 由于壓制成型的標物表面結構強度與天然礦物基體有較大差別，可能導致激光剝蝕效果產生較大差別；2) 如何保證摻雜元素的均勻性依然是一個難題，尤其是鋯石和硫化物的熔核效應，使得它們在標物中的均勻分布難度較大；3) 需要有效避免在樣品粉碎及壓制成型過程中的污染問題[10]。

圖3 粉末壓片法制備微區分析標準物質流程示意圖Fig.3 Schematic of the preparation process for microanalysis reference materials by powder pressing

樣品粉末制備和壓制成型是粉末壓片制備的2個關鍵要素。對于樣品粉末的制備，粉末顆粒的粒徑對壓制效果、激光剝蝕行為、元素/同位素分布均勻性是主要的影響因素[10]。通常顆粒越小制得的樣品致密性和均勻性越好，并具有更好的剝蝕行為，有研究表明，10 μm以下的樣品顆粒是保證微區分析均勻性的前提[38]。根據顆粒尺寸大小，粉末壓片可以分為微米級粉末壓片和納米級粉末壓片。除了采用傳統的球磨機研磨制得微米級或納米級樣品粉末外，目前還有關于使用火焰噴涂法、氣流粉碎法、碳化法制納米級碳酸鈣等的文獻報道[39]。樣品壓制成型效果會影響制得樣品的分析性能，壓制過程中添加黏合劑是提高樣品機械強度和粘合度的有效方法，但是黏合劑的使用可能會影響基體的匹配性，同時帶來一定的污染風險[40]。目前，Lin等[41]提出在高溫高壓成礦條件下對納米級方解石樣品粉末進行壓制成型，盡可能保證制得樣品與天然礦物基體匹配，降低測量校正時的不確定度，為粉末壓片法制備微區標準物質樣品提供了新思路。

2.4 人工晶體合成法

人工晶體法是指通過人工生長單晶或者提供礦物成礦條件，直接生產具有微區均勻性的礦物標物候選物。20世紀80年代出現了人工晶體用作電子探針分析標準樣品的報道。張訓彪等[42]制備了GaAs、InP等系列人工單晶用作EPMA分析標準。Samardzija等[43]制備了KNbO3和NaNbO3人工晶體，并證明其鈉和鉀元素在微區分布均勻，適合用作材料中鈉、鉀元素的分析標準。Fisher等[44]制備了Hf以及稀土元素摻雜的人工鋯石晶體，并用作Hf同位素分析的標準；西北大學袁洪林課題組[45]利用人工合成鋯石用作Lu-Hf同位素體系的分析標準。Ke等[46]制備了稀土元素摻雜的CaWO4單晶CaW-1用作白鎢礦中元素含量分析的標準物質。Miyajima等[47]利用無定形碳酸鈣在高溫高壓成礦條件下制備了U、Pb和稀土元素摻雜的方解石，并用作方解石基體中U-Pb定年的分析標準。

人工晶體合成時的原料來源可控，一般使用高純的化學試劑，且晶體生長時對元素具有一定的選擇性，形成的晶體均勻性好、機械強度好、與天然樣品基體匹配度高，是理想的微區標物候選物。但人工晶體的生長條件較為苛刻，組成單一且難以實現摻雜，而實際應用中樣品組成復雜，難以根據實際樣品制備組成相似的人工晶體。目前，由于鋯石晶體在礦物中廣泛存在，并已成為地質年代學、地球科學等領域的重要研究對象，因此人工合成晶體在相關領域具有較好的應用前景。

2.5 其他制備方法

溶膠-凝膠法在生物樣品分析中廣泛使用，通過在加熱溶解的親水膠體中加入標準溶液，冷卻凝固/凍干切片后用作微區分析標準樣品。典型的親水膠體包括瓊脂和明膠，前者來源于植物，主要成分為多糖；后者來源于動物，主要成分為多肽，可分別與植物和動物樣品實現良好的基體匹配。Stark等[48]首次報道了使用溶膠-凝膠法制備加標瓊脂，用于單層細胞培養物中目標元素的LA-ICP-MS定量分析；Halbach等[49]利用加標瓊脂作為標樣，分析了斑馬魚胚胎中溴元素的分布情況。

制備薄膜分析標準可用于材料分析。Marinenko等[50]研制了SiGe薄膜微區分析標準(NIST RM8905)。二次離子質譜分析對標樣的微區均勻性有極高的要求，通過將一定量的高能同位素粒子注入到基體樣品中是一種制備基體匹配標樣的新方法。Wu等[51]通過向高純石英玻璃中注入高能的47Ti/48Ti離子，研制了適合SIMS和EPMA分析的標準樣品，并應用于研究溫度相關的地質演化過程。此外，陶瓷制備技術也可應用于考古、材料、行星探測等領域的微區原位分析標準樣品制備[52]。

3 已有微區原位分析標準樣品和標準物質

近年來，隨著制備技術的深入發展，越來越多的微區原位分析標準樣品見諸報道，元素種類和基體覆蓋面也越來越廣。總體來說，目前已有的微區原位分析標準多為實驗室用標樣，真正具有可靠量值的有證標準物質還十分有限。

3.1 天然礦石微區原位分析標準樣品及標準物質

目前已報道的天然礦石分析標樣列于表1。天然礦石分析標準主要用于同位素地質年代學分析，是在研究具體地質和地球化學的問題過程中發展形成的。

表1 已報道的天然礦石微區分析標準樣品及標準物質Table 1 Reported natural reference materials for microanalysis

3.2 玻璃片微區原位分析標準樣品與標準物質

3.2.1美國NIST玻璃片系列標準物質 美國國家標準與技術研究所(NIST)研制的SRM 61x系列玻璃片是目前微區分析中使用最廣泛的標準物質，包含SRM610、SRM612、SRM614和SRM616四種不同濃度梯度的熔融玻璃片[81-82]。四種玻璃片的主量元素一致，均為SiO2(約70%)、Na2O(約13.5%)、CaO(約12%)和Al2O3(約2%)，添加66種微量元素，濃度從SRM610到SRM616依次遞減，分別約為400、40、1、0 mg/kg。NIST61x系列玻璃片標準物質證書中只對部分元素進行了定值，例如610中的有證參考值(certified value)有15種元素，參考值(reference value)有2種元素，信息值(information value)有7種元素，還有很多元素未給出參考值。Jochum等[83]對NIST61x系列中的元素含量進行測定，是目前研究中使用較多的參考值。

3.2.2美國USGS玻璃片系列標準樣品和標準物質 美國地質調查局(USGS)研制的USGS系列玻璃片標準物質包含BCR-2G、BHVO-2G、BIR-1G、NKT-1G、TB-1G、GSC-1G、GSD-1G和GSE-1G等[84]。這些樣品均為特定地質基體的標準樣品，其中NTK-1G是霞石巖基體，其他均為玄武巖基體。GSC-1G、GSD-1G和GSE-1G合成玄武巖玻璃系列標準物質，添加52種微量元素，含量分別約為3、30、300 mg/kg，其他標準樣品是由相應的基體成分標準物質經高溫熔融冷卻制得。

3.2.3德國MPI-DING和BAM-005玻璃片系列標準樣品和標準物質 德國馬普化學研究所Dingwell博士[85]研制了MPI-DING玻璃片系列標準樣品，包含6種巖石基體，分別為玄武巖(KL2-G、ML3B-G)、安山巖(StHs6/80-G)、科馬提巖(GOR128-G、GOR132-G)、流紋巖(ATHO-G)、石英閃長巖(T1-G)和橄欖巖(BM90/21-G)，是目前包含巖石基體種類最豐富的熔融玻璃片標準物質，廣泛應用于地質實驗室，但標準物質中元素定值不確定度大，且部分元素含量過低。德國聯邦材料研究和檢測機構也研制了BAM005-A和BAM005-B兩種玻璃片標準物質，但其中部分微量元素(Cs，Cl，Cr，Mo和Ni)分布不均勻[86]。

3.2.4中國CSGS和ARM玻璃片系列標準樣品 國家地質實驗測試中心(CGSG)[87]采用不同基體樣品熔融制成CGSG1、CGSG-2、CGSG-4和CGSG-5四種標準樣品，分別是西藏堿性玄武巖、霓霞正長巖、北京土壤和安山巖。吳石頭等[88]于2019年研制了ARM系列安山巖含量微區分析標準樣品，在安山巖基體中添加了54種微量元素，濃度分別約為500、50、5 mg/kg。

3.2.5其他玻璃片標準物質 Odegard[89]將微量元素摻雜的SiO2和TiO2粉末在石墨電極上直接熔融冷卻，制備了石英和金紅石基體的標準樣品；Brieuc等[90]用日本地質調查局的玄武巖粉末標準物質JB-2直接熔融制得微區分析標準物質，用于Li和B元素分析；Stephan等[91]在1 500 ℃下熔融制得了11種元素摻雜的玻璃片標準物質，包含4種高Ti的TNT系列，2種高Mg、Ca的CPX系列，2種高Si的DAC系列以及3種高P的STDP系列；Tang等[92]用熔融法制備了一種非晶硅的標準物質Glass-Qtz。

3.3 粉末壓片標準樣品和標準物質

目前廣泛使用的粉末壓片標準物質為美國USGS研制的碳酸巖、硫化物和磷酸巖3種基體的標準物質。其中，碳酸巖基體標準物質MACS-3包含3種主量元素和44種微量元素，微量元素中稀土元素含量約10 mg/kg，其他元素含量約50 mg/kg；硫化物基體標準物質MASS-1包含4種主量元素和20種微量元素，微量元素含量約50 mg/kg；磷酸巖基體標準物質MAPS-4和MAPS-5，MAPS-4中的微量元素含量大約是MAPS-5的10倍。

Jochum等[93]以25%MnO和8.5%Fe2O3為原料，通過多種微量元素的摻雜制備了FeMnOx-1粉末，經壓片制得片狀微區分析標準；Feng等[94]通過水熱法合成了納米FeS2顆粒(500～600 nm)，在合成過程中加入微量元素實現了摻雜，制得的納米顆粒通過壓片制備了4種元素含量組成均勻的硫化物基體標準物質，并對其中S和Pb同位素進行分析；Lin等[41]和Miyajima等[47]以無定型碳酸鈣為原料，通過壓片法制備了方解石基體的微區原位分析標準物質，用于原位U-Pb定年研究；Onuk等[95]利用商業化的ZnS、FeS和CdS為主要原料，通過摻雜后壓片制得了基體匹配的閃鋅礦微區分析標準物質MUL-ZnS-1，并通過EPMA、ICP-MS、ICP-OES和LA-ICP-MS分析證明其適用于閃鋅礦微區原位分析標準物質。

Stuart等[96]在嚴格條件下對純鐵進行滲碳或者氮化處理，制備了Fe3C和γ-Fe4N標準物質，用作碳和氮元素的微區分析標準；Courtney-Davies等[97]以硝酸鐵為原料，用氨沉淀法制備氧化鐵膠體溶液，再向其中加入U和Pb溶液并超聲混勻， 沉淀后50 ℃烘干，700 ℃烘烤10 h后制得α-Fe2O3微區分析標準物質MR-HFO，可用作氧化鐵-Cu-Au體系的U-Pb地質年代學研究。

4 結論及展望

微區原位分析技術為深入認識物質世界提供了無以替代的新途徑，在分析過程中選擇使用與目標物相匹配的標準物質是獲得可靠、可比測量結果必備的物質基礎。但對于快速發展和應用的多種微區原位分析技術來說，相關的標準物質、方法和技術標準規范還十分匱乏，獲得準確可靠的分析結果還面臨嚴峻挑戰。目前，微區分析中可用的標準物質和標準樣品大多存在著品種少、匹配度不夠、量值不確定度大、資源短缺和難以獲得等問題。在研制技術方面，尋找合適的自然樣品，開發新的滿足微區分析特性的標準物質候選物樣品的制備技術，建立樣品的均勻性檢驗手段和準確定值方法是亟待加強的重要研究任務。此外，起草制訂各種相關分析儀器校準規范和各種方法標準，規范微區原位分析流程和操作也是提高相關測量能力和水平的重要途徑。